大厚度鈦合金電子束焊接接頭力學(xué)行為及調(diào)控方法.pdf

1、隨著我國大型專用裝備的國產(chǎn)化戰(zhàn)略的實(shí)施，電子束焊接已成為航空、航天、航海、兵器等領(lǐng)域大型鈦合金構(gòu)件輕量化、整體化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一,特別是航空大厚度鈦合金結(jié)構(gòu)。
　　隨著航空零件結(jié)構(gòu)、性能的飛速發(fā)展，大厚度鈦合金電子束焊接面臨著如下難點(diǎn)：焊接厚度不斷擴(kuò)展、尺寸越趨大型化、結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜化，質(zhì)量、性能要求也越來越高。然而，對于大厚度鈦合金電子束焊接焊縫形貌、組織性能及力學(xué)性能國內(nèi)外尚缺乏系統(tǒng)深入研究，對其工藝、焊縫形狀特征、焊縫微觀組

2、織與接頭力學(xué)行為之間的相關(guān)性機(jī)理缺乏認(rèn)識，從而影響了大厚度鈦合金航空結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，本文針對50mm厚TC4-DT鈦合金，深入開展了電子束焊接工藝、焊縫形狀、焊縫組織及力學(xué)性能相關(guān)性研究，分析了大厚度鈦合金焊接接頭力學(xué)行為，探索了力學(xué)性能調(diào)控方法。
　　首先，采用連續(xù)變聚焦焊接試驗(yàn)方法，優(yōu)化了電子束焊接聚焦電流、速度等參數(shù)。設(shè)計了連續(xù)變換高度位置的測試方法，獲得了大厚度鈦合金焊接束流品質(zhì)特征。基于焊接熱循環(huán)測試和理論

3、分析，建立了數(shù)值計算方程和模型，實(shí)現(xiàn)了電子束焊接熱過程模擬，揭示了大厚度鈦合金電子束深熔“匙孔”焊接機(jī)理。針對深熔焊接焊縫根部缺陷問題，設(shè)計了分解探傷檢測方法，分析了焊縫根部工藝氣孔缺陷特征；采用帶放氣槽的墊條結(jié)構(gòu)，提出了引/收束流控制方法，解決了工藝氣孔問題。
　　其次，采取偏擺掃描焊接工藝方法，優(yōu)化了掃描參數(shù)，改善了焊縫成形。通過電子束焊接焊縫形貌分析，提出了典型的T形和I形焊縫形狀特征，研究了焊接工藝參數(shù)對焊縫形狀尺寸的影響

4、規(guī)律，建立了焊縫形狀分類準(zhǔn)則，優(yōu)化了T形和I形焊縫焊接工藝?；谑魈匦约昂缚p形狀分析，提出了焊接形狀特征參量焊縫深寬比H/B及相關(guān)的工藝參量n1、n2，分析建立了n1、n2與H/B的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型。
　　第三，深入研究了T形和I形焊縫晶粒尺寸、組織形態(tài)。與T形焊縫相比，沿熔深方向I形焊縫柱狀晶尺寸更均勻。隨著焊接熔深位置的增加（沿熔深從上到下），焊縫馬氏體組織逐漸細(xì)化，其寬長比MBL逐漸減??；I形焊縫組織比T形焊縫更均勻，其馬氏

5、體組織寬長比MBL變化更平緩。基于焊縫組織分析，提出將馬氏體組織寬長比MBL作為表征大厚度鈦合金電子束焊接組織特征的參量。
　　第四，測試分析了T形和I形焊縫/接頭顯微硬度、拉伸性能及沖擊性能，研究了焊接工藝、焊縫深寬比H/B、馬氏體組織寬長比MBL對焊縫/接頭力學(xué)性能的影響。沿熔深方向，焊縫由上至下顯微硬度逐漸增加，I形焊縫的顯微硬度分布比T形焊縫更均勻。焊縫金屬沿熔深方向拉伸性能也存在差異，I形焊縫的拉伸性能更均勻。隨著焊縫馬

6、氏體組織寬長比MBL的增加，焊縫的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，熔深方向的強(qiáng)度差異也逐漸變小。隨著焊縫深寬比H/B的增加，I形焊縫的拉伸強(qiáng)度存在降低的趨勢，與T形焊縫的變化趨勢相反。與T形焊縫相比，I形焊縫的沖擊韌性值較高，且沿熔深方向存在不均勻性；隨著焊縫深寬比、馬氏體組織寬長比的增加，T形和I形焊縫沖擊韌性均先增加、后減小。根據(jù)強(qiáng)度匹配理論分析，提出了鈦合金電子束焊接力學(xué)性能因子[Ue，SDM]，建立了焊縫形狀參量H/B、組織參量MBL與力學(xué)性

7、能因子[Ue，SDM]的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型，表征了大厚度鈦合金電子束焊接接頭力學(xué)行為。
　　第五，研究了偏擺掃描電子束焊接、“嵌料”電子束焊接及多重電子束焊接等調(diào)控方法對接頭力學(xué)性能的影響。采用偏擺掃描焊接+焊后熱處理方法提高了 I形焊縫的深寬比H/B，降低了焊縫馬氏體組織寬長比MBL參量，修正了焊接力學(xué)性能因子[Ue，SDM]相關(guān)性模型；焊縫斷裂韌性、接頭疲勞強(qiáng)度分別達(dá)到了基材的80％和90%，改善了焊縫/接頭斷裂韌性、疲勞等性能。